12混凝--水处理教案(清华大学精品课程)

1第二章混凝第1节混凝的去除对象混凝可去除的颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一种化学方法。范围在：1nm~0.1m（有时认为在1m）混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。水处理中主要杂质：粘土（50nm-4m）细菌（0.2m-80m）病毒（10nm-300nm）蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸1637年我国开始使用明矾净水1884年西方才开始使用混凝过程涉及到三个方面的问题：水中胶体的性质混凝剂在水中的水解与形态胶体与混凝剂的相互作用第2节胶体的性质一、胶体的稳定性1．动力学稳定性：布朗运动对抗重力。2．聚集稳定性：胶体带电相斥（憎水性胶体）水化膜的阻碍（亲水性胶体）两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。二、胶体的双电层结构动电位电位：决定了胶体的聚集稳定性一般粘土电位＝-15~-40mV细菌电位＝-30~-70mV三、DLVO理论胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒间的相互作用和距离来评价。由下列两方面的力决定：静电斥力：ER－1/d2范德华引力：EA－1/d6（有些认为是1/d2或1/d3）由此可画出两者的综合作用图。另一方面，胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kT2k：波兹曼常数，T：温度EbEmax（势垒）胶体距离xoa,凝聚（一次凝聚）xoa，稳定（二次凝聚除外）以上称为DLVO理论。只适用于憎水性胶体。德加根（derjaguin）、兰道（Landon）(苏联，1938年独立提出〕伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，1941年独立提出）胶体的凝聚：降低静电斥力――电位――势垒――脱稳――凝聚办法：加入电解质，但只适用于憎水性胶体第3节水的混凝机理与过程一、铝盐在水中的化学反应铝盐最有代表的是硫酸铝Al2(SO4)318H2O，溶于水后，立即离解铝离子，通常是以[Al(H2O)6]3+存在。在水中，会发生下列过程。1．水解过程配位水分子发生水解：[Al(H2O)6]3+――[Al(OH)(H2O)5]2++H+…….其结果是：价数降低，pH降低，最终产生――Al(OH)3沉淀2．缩聚反应－OH－发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基络合物）……..其结果是：电荷升高，聚合度增大同时多核羟基络合物还会继续水解。因此，产物包括：未水解的水合铝离子单核羟基络合物多核羟基络合物氢氧化铝沉淀各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。二、混凝机理水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation）混凝：包括两者1．压缩双电层根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。电解质加入――与反离子同电荷离子――压缩双电层――电位――稳定性――凝聚3电位＝0，等电状态，实际上混凝不需要电位＝0，只要使Emax=0即可，此时的电位称为临界电位。示例：河川到海洋的出口处，由于海水中电解质的混凝作用，胶体脱稳凝聚，易形成三角洲。叔采－哈代法则可以适用，即：凝聚能力离子价数6但该理论不能解释：1）混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；2）与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝效果好。这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静电力，还来源于范得华力、氢键及共价键力（多出现在有聚合离子或高分子物质存在时）。2．吸附-电性中和这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低电位。这一点与第1条机理不同。在铝盐混凝剂的过程中，水解的多核羟基络合物主要起吸附电性中和作用。在水处理中由水合的Al3+产生的单纯的压缩双电层作用甚微。3．吸附架桥指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥高分子投量过少，不足以形成吸附架桥，但投加过多，会出现“胶体保护”现象。4．网捕或卷扫金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕小胶粒与大矾花发生接触凝聚―――澄清池中发生的现象根据以上机理，可以解释在不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理。pH3简单的水合铝离子起压缩双电层作用pH=4－5多核羟基络合物起吸附电性中和pH=6.5-7.5多核羟基络合物起吸附电性中和；氢氧化铝起吸附架桥、网捕4天然水体一般pH=6.5-7.8三、混凝过程1．凝聚（coagulation）带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或吸附电中和――电位――脱稳――凝聚，生长成约d=10特点：剧烈搅拌，瞬间完成在混合设备中完成2．絮凝（flocculation）高聚合物的吸附架桥脱稳胶粒――生长成大矾花d=0.6-1.2mm特点：需要一定时间，搅拌从强弱在絮凝中设备完成第4节混凝剂和助凝剂一、混凝剂种类有不少于200－300种。分类：无机铝系硫酸铝明矾聚合氯化铝（PAC）聚合硫酸铝（PAS）适宜pH：5.5~8铁系三氯化铁硫酸亚铁硫酸铁（国内生产少）聚合硫酸铁聚合氯化铁适宜pH：5~11，但腐蚀性强有机人工合成阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物国外开始增多，国内尚少阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO）两性型：使用极少天然淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等微生物絮凝剂发展方向：无机复合聚合物混凝剂：聚合硫酸铝铁（PFAS）、聚合氯化铝铁（PFAC）、聚合硫酸氯化铁（PFSC）、聚合硫酸氯化铝（PASC）、聚合铝硅（PASi）、聚合铁硅（PFSi）、聚合硅酸铝（PSA）、聚合硅酸铁（PSF）无机－有机复合：聚合铝/铁-聚丙烯酰胺、聚合铝/铁-甲壳素、聚合铝/铁-天然有机高分子、聚合铝/铁-其它合成有机高分子有机高分子絮凝剂：阳离子有机化合物天然改性高分子絮凝剂：无毒易降解，如甲壳素等多功能絮凝剂：絮凝、缓蚀阻垢、杀菌灭藻微生物絮凝剂5二、助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。1．酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等2．加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂3．氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等第5节混凝动力学颗粒间的碰撞是混凝的首要条件――混凝动力学一、异向絮凝由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。颗粒的碰撞速率Np＝8/(3)KTn2n：颗粒数量浓度：运动粘度凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。Np只与颗粒数量有关，而与颗粒粒径无关。当颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。二、同向絮凝由水力或机械搅拌产生。其理论仍在发展之中。最初的理论基于层流的假定。碰撞速率N0＝4/3n2d3Gd：颗粒粒径G＝U/Z(速度梯度)（相邻两流层的速度增量）可由水流所耗功率p来计算。p＝G：剪切应力p：单位体积流体所耗功率，W/m3按照牛顿定律＝G(1/s)(1943年发明的理论，甘布公式)：动力粘度，Pasp：水流所耗功率，W/m3水力搅拌时pV＝gQh（由水流本身能量消耗提供）水流体积V＝QT/pG6：运动粘度，m2/sh：水头损失，mT：水流在混凝设备中的停留时间但存在问题：层流假设基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？微涡旋理论G增加碰撞机率增加絮凝效果增加但破碎程度也增加。此现象尚未很好从理论上得到描述。三、混凝控制指标用G可以来判断混合和絮凝的程度：混合（凝聚）过程：G＝700－1000s-1，但剧烈搅拌是为尽快分散药剂时间通常在10～30s，一般2min絮凝过程：不仅与G有关，还与时间有关。平均G＝20－70s-1，GT＝1～104－105实际设计，采用V和T，反过来校核GT或者平均G最近采用：GTC（建议值100），C：颗粒浓度第6节混凝影响因素主要包括：水温、水化学特性、杂质性质和浓度、水力条件（前面已有叙述）一、水温低温，混凝效果差，原因是：1）无机盐水解吸热2）温度降低，粘度升高――布朗运动减弱3）胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚二、pH及碱度视混凝剂品种而异。无机盐水解，造成pH下降，影响水解产物形态。根据水质、去除对象，最佳pH范围也不同。需碱度来调整pH，碱度不够时需要投加石灰。三、水中杂质浓度杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。对策：1）加高分子助凝剂2）加粘土3）投加混凝剂后直接过滤四、混凝效果的评价TghG7烧杯试验（Jartest）第7节混凝设备一、混凝剂的配制与投配一般采用液体投加的方式。1．投配流程：药剂－溶解池－溶液池－计量设备－投加设备－混合设备－2．剂量与投加方式计量：流量计（转子、电磁）、孔口、计量泵投加方式：泵前投加，虹吸投加，水射器投加，泵投加3．投加量自动控制最佳投加量：既定水质目标的最小混凝剂投加量一般采用混凝搅拌试验，确定最佳混凝剂投加量，然后进行人工调节。自动控制方法：数学模型法：需要大量的生产数据、涉及仪表多现场模拟试验法：根据试验结果反馈到投药，仍有一定滞后。流动电流检测器（SCD）：流动电流是指胶体扩散层中反离子在外来作用下随流体流动而产生的电流。絮凝监测器：利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化二、混合设备水泵混合：投药投加在水泵吸水口或管上。管式混合：管式静态混合器、扩散混合器，混合时间2－3秒机械混合：搅拌三、絮凝设备隔板絮凝池：由往复式和回转式两种水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。往复式总水头损失一般在0.3－0.5m，回转式的水头损失比往复式的小40％左右。特点：构造简单、管理方便，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂设计参数：流速：起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s段数：4－6段絮凝时间：20－30分隔板间距：不大于0.5m8折板絮凝池：通常采用竖流式，与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，絮凝时间10－15分但安装维修较困难，折板费用较高机械絮凝池：浆板式和叶轮式水平轴式和垂直轴式调节容易，效果好，大、中、小水厂均可但维修是问题。穿孔旋流不同形式的组合第8节混凝的应用一、给水处理以地面水为水源时，去除浊度和细菌。经混凝沉淀后一般浊度小于10度二、废水处理1．工业废水：用于处理一些特殊的废水，脱色、去除悬浮物等印染废水处理：适用于含颜料、分散染料、水溶性分子量较大的等染料废水处理。混凝剂的选择与染料种类有关，需做混凝试验。可以单独用无机混凝剂，也可和有机高分子絮凝剂联用。9例：某针织厂废水TOC为50－60mg/L，pH值为7.5。采用PAC混凝剂，投加量为140mg/L时，TOC去除率为68％。含油废水处理：乳化油颗粒小、表面带电荷，加混凝剂，压缩双电层。通常采用混凝气浮工艺。例：兰州炼油厂废水加PAC采用二级气浮原水含油50-100mg/L投加PAC50mg/L一级气浮出水，油20－30mg/LPAC30mg/L二级气浮出水，油15－20mg/L肉类加工厂废水处理：例：某肉类加工厂屠宰废水COD为670mg/L，用聚合硫酸铁处理后，COD去除率在77％以上。混凝优点：上马快、投资省、效果好，但运转费高，沉渣多2．废水深度处理与回用如：1）加利福尼亚州橘子县21世纪水厂再生水回灌地下2）南非纳米比亚的首都温德和克：世界上第一座将城市污水再生水直接用作饮用水源3．改善污泥脱水性能化学澄清汽提中和过滤活性炭消毒反渗透煅烧生化处理出水石灰沉渣空气CO2回灌地下37850m3/d18925m3/d56775m3/d